智能變電站直流電源系統運行方式切換遠方操作解決方案

刁光宇，張書曉，樊 宇，慈建斌

（國網遼寧電力有限公司 大連供電公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

對具有雙套直流電源裝置的變電站，若其中一臺或一套電源發生故障，則需切換直流母線運行方式，在該母線上負荷供電設備的位置更換為另一套沒有故障的直流供電設備，向電源供電后，退出有故障的直流電源設備進行維修。《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中明確規定，需要定期檢查直流充電設備的穩壓精度、穩流精度以及波紋系數，并定期對電池組進行放電測試。對于具有雙組直流電源設備的變電所，定期測試時需要在系統中進行直流電源運行模式切換，即取一組待測直流電源設備運行，另一組直流電源裝置備用。當直流電源裝置發生故障時，必須切換直流電源的工作方式來保障電源的持續供應。隨著自動化技術的迅速進步和智能化變電站的迅速發展，變電站一次設備、系統運行方式、二次保護、測控裝置等都已經實現了遠程智能“一鍵式”順序控制操作。但是，變電所直流供電系統運行方式的切換操作還沒有實現遠程智能運行，無法滿足變電站智能化發展的需要。

1 智能型變電所直流供電系統的現狀

智能化變電站投運后，全站都會配備有直流電源、交流電源、反變電源、UPS電源、通信電源等綜合設計以及集成配置和集成監控等系統，消除獨立通信電源供電電池組和充電設備等，使用DC/DC轉換器直接連接DC總線[1]。在UPS中將單獨的面板分組，改為DC/AC逆變器直接與直流母線相連，從而減少了投資和板組的數目，節約了空間，簡化了電源系統的結構[2,3]。采用自動切換開關，實現交流電源開關的遙控與監視，通過使用常規的直流斷路器和隔離開關，直流供電系統仍然不能進行有效的遠距離自動控制[4,5]。當前直流電源系統中存在的主要問題如圖1所示。

圖1 直流電源系統現狀

目前，直流電源的工作方式轉換還需要手工操作才能完成。集中式監測模塊對全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源以及通信電源等進行全面監測，主要是完成對各功能部件及各監測單元的控制工作[6-9]。通過監測獲得系統內的各項操作參數及狀態，根據測量數據及運行狀態，實時管理各功能部件并發出異常報警，但是不能實現直流供電系統運行方式的遠程切換操作[10]。

2 直流系統絕緣監測技術方案

下面分別從設計原則、功能框架以及該技術方案解決的問題3個方面闡述直流系統絕緣檢測技術方案。

2.1 設計原則

本方案提出的絕緣監測裝置優化了功能結構，以集成化、可視化以及標準化為設計原則，加強了絕緣監測裝置的監測功能。

2.1.1 一體化原則

搭建一體化監控平臺，實現監控、分析以及控制一體化。突出模塊化設計思想，將分散測控與集中管理相結合，實現對直流系統絕緣狀態的全面監控。

2.1.2 可視化原則

設備可以實時顯示母線電壓、正負對地電壓、交流侵入電壓、正極對地電阻、負極對地電阻以及系統對地電容等，具有實時動態評估和分析能力。

2.1.3 通信協議的標準化原則

通信系統具有良好的開放性。設備支持接入各種標準接口類型以及即插即用的后端軟件，同時可以通過協議分析接入非標準接口的后端軟件，為模塊化設計提供互聯互通的技術基礎。

2.2 功能框架設計

系統功能框架包括系統電壓實時監測、絕緣電阻監測及選線、交流入侵監測及選線、直流互通道監測及選線、電池接地監測、正負極接地電壓偏差監測及補償等。上述一系列內容可以使得直流電源智能管理運維系統具備完善的功能，滿足當前直流電源運維過程中的各種需求。

實時監測母線電壓和對地正負電壓，并能在母線電壓超過過壓和欠壓閾值后發出報警信息。當系統對地絕緣電阻小于設定閾值時，設備能發出正確的絕緣預警或警告信息，并能正確選擇絕緣降低支路。當系統發生交流入侵時，設備可以發出交流入侵直流報警信息，并選擇正確的交流入侵支路。當電池在系統中接地時，設備可以發出電池接地的警告信息，并且可以選擇接地的具體電芯數量，并可以計算出電池接地電阻的大小。此外，當系統對地正負電壓偏差達到1.22 V時，設備會發出電壓偏差報警信息，當偏差補償功能啟動時，兩極電壓將得到補償平衡。

2.3 解決的問題

一是解決正負極母線絕緣降低，電阻值相同時，無法監測報警的問題。舊的絕緣監測設備往往只采用平衡橋法來確定接地電阻。

二是解決了絕緣監測裝置選線時向直流系統注入交流信號的問題。原有的絕緣監測設備在選擇支線時常采用交流注入法。目前不推薦這種方法，因為交流注入方式會造成地電壓不斷波動，而選線方式向系統注入信號，會對系統的安全運行造成隱患，而且只能判斷支路絕緣劣化失效，不能區分是正極還是負極發生絕緣劣化。考慮到保護設備的安全運行，在線監測裝置基本不允許采用交流注入方式。

目前，絕緣監測設備很難區分上述兩種情況。通常情況下電流絕緣監測裝置只能對電池的直接接地故障做出準確判斷。電池電阻接地時，絕緣監測裝置可能誤報直流系統接地故障，或者當系統出現絕緣接地故障時，絕緣監測設備可能會誤報電池接地故障。ZHY367絕緣監測設備在電池出口處安裝漏電流傳感器，實時采集漏感數據，準確判斷電池是否接地或系統絕緣降低，可計算出電池阻性接地的任意電阻值。

三是解決了直流系統兩段發生直流互竄故障時無法報警和選線的問題。當兩段總線之間存在環網時，保護設備發生故障的風險會增加。例如，有兩段直流母線的單段點接地故障，如果母線的兩段之間存在電氣連接，就會引起整個直流系統的兩個接地故障，導致保護設備誤動作。如果Ⅰ段直流母線接地，Ⅱ段直流系統正極發生接地故障，此時Ⅰ段負極與II段的正極接觸會導致線圈失效，進而導致保護裝置拒絕動作。當線圈的動作需要改變時，線圈的控制節點閉合，會造成直流系統短路故障，造成嚴重后果。通常情況下，I段母線和II段母線會分別設絕緣監測裝置，如果Ⅰ段母線和Ⅱ段母線相互獨立，則兩者之間除接地線外沒有其他連接。此外，如果兩段之間存在電氣連接，則當其中一個母線上的絕緣監測裝置通斷電橋時，必然會改變另一母線的正負接地電壓，據此可以判斷系統是否存在直流互竄故障。

四是采用開放式漏電流傳感器，解決了電流封閉式傳感器無法更換的問題。ZHY007直流漏電流傳感器是專門研制的開放式直流漏電流傳感器，安裝簡單方便，完美解決了閉口漏感更換困難的問題。

五是使用手持式接地故障檢測儀，解決系統發生絕緣降低故障時系統無法定位特定點的問題。ZHY367-T03手持式絕緣監測故障定位儀是以定位接地點為主要目的的手持式儀器。與ZHY367絕緣監測儀配合使用，在絕緣監測儀檢測到接地故障并選擇故障支路后，使用儀器對故障支路進行分段排查，可快速找到接地點的實際位置。該設備用于發電廠和變電站直流系統的接地故障檢測和故障點確定。采用隔離式可編程恒流源向系統注入小電流信號，安全可靠，快速準確地發現故障點，測量精度高。采用波形分析法，實時計算顯示阻性電流的大小和方向，可直接查看地電流波形，克服了系統分布電容的影響，大大提高了判斷的準確性，可有效解決高阻接地、交直流接地、低阻接地、脈沖干擾、回路接地、單點接地以及多點接地等問題。

3 智能型變電所直流供電系統運行方式遠動解決方案

智能化變電所已經全面投入使用，系統一般從直流、交逆變、UPS、整體設計以及組態等方面進行集成。集成式監測其運行狀態和信息數據可由綜合監測單元顯示并轉換為標準模式數據，將標準模式與本地自動化系統相連，上載至遠端控制中心。開關直流電源系統的工作方式需要從硬件和軟件兩方面加以解決。

3.1 硬件解決方案

電路設計上，采用5臺電動操縱機構(雙穩開關)組成具有電動工作條件的直流供電系統。雙穩開關的工作狀態有閉式和斷式，兩套控制回路分別實現合閘和分閘控制以及機械的合閘、分閘運行。

在正常工作方式下，18個雙穩態開關在斷開位置，4雙穩態開關在關閉位置，變電所直流母線分段串聯運行。在進行常規測試或直流電源設備發生故障時，5個雙穩態開關的通斷狀態由邏輯軟件控制。遠程切換操作在開關不正常或失敗時報警和阻止。因為這種雙穩開關分合閘采用電操縱和機械檢修的原理，在控制電源失靈、系統復位或故障時，主回路雙穩開關沒有動作，控制器中斷，避免了嚴重的直流母線斷電事故。

3.2 軟件解決方案

直流供電系統采用雙穩開關技術，使其具有一定的電氣性能。然而，要使工作狀態切換真正實現遠距離操作，還需要集中監測模塊的邏輯控制功能。在控制理論中，閉環控制是基礎。從控制理論來看，通常閉環控制是由輸出端的“側鏈”反饋至輸入端，參與輸出方的再控制。本方案將直流供電系統運行方式改為遠距離運行，使用閉環邏輯順序控制。在生產過程中，嚴格按照電力相關標準設計生產控制程序，每一步都有反饋信息，這些信息是閉環的，通過綜合邏輯來判斷直流電源系統的運行狀況，然后根據判斷結果決定下一步如何執行。整個執行過程是由無數個執行、反饋、邏輯判斷以及反復執行步驟構成的小循環。

此外，設計時應考慮當有常規的直流電源設備發生故障時，必須停止工作，使測試有故障的直流電源設備停運，用另一直流電源裝置來承載整個站的直流負荷。在正常試驗結束或直流電源設備故障處理完畢后，檢測出的（故障）直流電源設備必須重新開始工作。兩套直流電源裝置為全站直流負荷提供電力，此方法在執行整個操作序列時，在前一操作步驟已正確完成并且收到反饋信息后再執行下一步。如果有步驟執行異常，則執行故障恢復順序，并發出警報。

4 結 論

變電所直流電源系統工作方式的切換實現了遠距離一鍵式順序控制操作，可以從根本上防止運行模式切換期間由于人為因素引起的直流母線掉電等不正常事件。關于智能型變電所直流電源系統的發展趨勢，本解決方案是在硬件上采用電氣運行和機械維持雙穩開關，或者斷開控制器，以免失去直流母線。在電力系統中出現重大故障時，軟件采用閉環順序控制邏輯，這符合智能變電站技術的發展方向。